日本海屬溫帶海洋性季風氣候，每年12月至次年3月盛行東北季風，有乾冷空氣流入日本海，形成降溫和降雪天氣。最冷月(1月)平均氣溫北部為－19℃，南部為5℃，表層水溫為－2～13℃。北部特別是西伯利亞近岸海域形成大量海冰，結冰期通常自11月中旬到次年2月中旬。6月以後盛行偏南季風，暖溼氣流使氣溫升高，形成充沛降水和霧(尤其北部)。8月平均氣溫北部為16℃，南部達24℃。表層水溫18～27℃。日本海海流由沿東岸北流的對馬暖流和沿西岸南流的利曼寒流組成，形成反時針型的環流系統。海流增大了海區表層水溫的南、北間和東、西間的差異。日本海海區因被陸地和島嶼包圍，海潮潮差較小，沿日本岸只有0.2米，西伯利亞近岸為0.4～0.6米，靠近東海的北韓海峽(大韓海峽)處的海潮潮差可達2米。表層水溫最暖月（8月）18～27℃，最冷月（1月）-2～13℃,自北向南遞增。海域東部有對馬暖流以926～1852米/小時的流速沿東岸北上，並從津輕海峽流入太平洋，從拉彼魯茲海峽流入鄂霍次克海。西部有利曼寒流以370米/小時的流速沿西岸南下。東部水溫高於西部，如2月，本州附近海岸水溫5～10℃，而大陸一側為0℃。海水鹽度東部高於西部，如本州沿海為34.7‰，大陸沿海32.8～34.1‰。海域年降水量北部600毫米，南部1200～1500毫米。潮汐作用較小，潮差一般為0.2～0.4米。自1993年開始，聯合科研小組就對日本海不同水位的洋流、鹽分、氧含量等指標進行監測，監測結果證實了他們最擔心的事。科研人員指出，日本海最深處為3000米左右。表層的氧氣需要這些洋流的傳輸到達深層海域，深層海水中的微生物靠這些氧氣把從表層沉落下來的有機物分解成氮和磷等無機物。這些無機物再隨深層海水上升到海表層，成為藻類的營養來源。但現狀是：日本海的深海洋流正變得越來越弱，導致海洋表層物質與深層物質的迴圈越來越難以得到保證，這導致日本海藻類浮游生物因沒有足夠的養分而迅速減少。以浮游生物為食物的魚類也隨之減少。如果這種現象得不到改變，300年後，日本海可能將無魚可捕。科學家們指出，深海洋流的成因來自一個非常罕見的現象：每年冬天，陣陣猛烈刺骨的寒流都會自俄羅斯東北吹來。連續幾個月的冷風吹拂導致日本海水面形成一股穩定的下潛寒流。據悉，全球只有7股類似的下潛寒流，其中包括格陵蘭島附近的一股洋流，它被認為是大西洋洋流迴圈的起點。這些洋流被稱為深海傳送帶，是全球生態系統的重要連結點；由於全球變暖，這些寒流也隨之變得“虛弱”。根據現有的研究結果，在過去50年間，日本海北部的平均氣溫上升了1.5至3℃，日本海表層海水在冬季的下沉深度則由原來的3000米左右變成400至600米。與之相對應的是，每升海水的氧氣含量正以每年百萬分之三十二的速度減少。科研人員還指出，浮游生物的減少還意味著空氣中將有更多的二氧化碳氣體，這又反過來進一步加劇全球變暖的速度。聯合國在1月發表報告指出，在1990-2100年，地球表面的溫度將升高1.4至5.8℃。